Thiết kế và thi công mô hình pha trộn sơn tự động sử dụng PLC rockwell

TỔNG QUAN

Đặt vấn đề

Hiện nay, Việt Nam đang tiến hành Công nghiệp hóa – Hiện đại hóa, với mục tiêu giảm chi phí, ổn định sản xuất và nâng cao năng suất lao động Để đạt được điều này, việc đầu tư vào dây chuyền tự động hóa là rất quan trọng Ứng dụng PLC vào các dây chuyền sản xuất là một trong những giải pháp đầu tư phổ biến nhất hiện nay, giúp cải thiện chất lượng sản phẩm.

PLC là phương thức lập trình linh hoạt và đơn giản, cho phép thay đổi nhanh chóng nhiệm vụ điều khiển, điều này đã dẫn đến việc nó ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Ngành xây dựng đang phát triển mạnh mẽ, và việc ứng dụng PLC vào lĩnh vực này, đặc biệt trong công đoạn pha chế màu sơn, mang lại hiệu quả cao Chính vì lý do đó, chúng tôi đã chọn đề tài “Thiết kế và thi công mô hình pha trộn sơn tự động sử dụng PLC Rockwell” cho luận văn tốt nghiệp của mình.

Mục tiêu

Sơn đóng vai trò quan trọng trong ngành xây dựng, không chỉ bảo vệ bề mặt công trình mà còn tạo nên tính thẩm mỹ với màu sắc quyết định Trong khi nhiều công trình lớn sử dụng máy móc để pha chế sơn, vẫn còn một số công việc pha màu theo phương pháp thủ công dựa vào kinh nghiệm của thợ xây dựng Tuy nhiên, phương pháp này thường dẫn đến độ chính xác và đồng đều màu không cao, năng suất thấp, gây lãng phí sức lao động và thời gian.

Mục tiêu nghiên cứu của chúng tôi là phát triển một dây chuyền sản xuất tối ưu, nhằm giảm thiểu chi phí và nâng cao hiệu quả.

Ngoài ra, luận văn này còn có thể ứng dụng cho một số lĩnh vực khác như pha chế hóa chất, thực phẩm, v.v…

Nội dung nghiên cứu

 NỘI DUNG 1: Tìm hiểu những khái niệm cơ bản về màu và sơn, các hệ màu và quy luật pha màu

 NỘI DUNG 2: Tìm hiểu các máy pha màu, dây chuyền sản xuất sơn trong thực tế

 NỘI DUNG 3: Thiết kế và thi công mô hình cơ khí

 NỘI DUNG 4: Thiết kế và thi công tủ điều khiển

 NỘI DUNG 5: Tạo lập công thức pha màu riêng cho hệ thống

 NỘI DUNG 6: Tìm hiểu, nghiên cứu PLC Rockwell và viết chương trình điều khiển hệ thống

 NỘI DUNG 7: Tìm hiểu, nghiên cứu FactoryTalk và thiết kế giao diện FactoryTalk.

Giới hạn

 Bốn bồn chứa sơn loãng mỗi bồn 4 lít

 Pha trộn được một số màu cơ bản theo công thức định sẵn hoặc tùy chọn theo người dùng

 Dùng cân loadcell cân và định lượng sơn cần pha

 Dùng động cơ bước lắc lon sơn cần pha.

Bố cục

Chương này giới thiệu lý do chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu, nội dung chính, các giới hạn về thông số và bố cục của đồ án.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Giới thiệu tổng quan về sơn, màu sắc và chọn quy luật pha màu cho hệ thống 4

2.1.1 Khái niệm cấu tạo và phân loại sơn a Sơn là gì? Tại sao phải dùng sơn

Sơn là một hỗn hợp đồng nhất bao gồm chất tạo màng và chất màu, tạo ra một lớp màng liên tục có khả năng bám dính tốt lên bề mặt vật chất Công thức của sơn được điều chỉnh bằng cách thêm phụ gia và dung môi, tùy thuộc vào từng loại sản phẩm.

Sơn là sản phẩm đa dạng với nhiều màu sắc phong phú, có khả năng che phủ và bám dính tốt trên nhiều bề mặt khác nhau Nhờ vào những đặc tính này, sơn được ứng dụng rộng rãi cho nhiều mục đích khác nhau.

– Các chức năng đặc biệt khác như: Cách điện, dẫn điện, cách âm, cách nhiệt, chống trượt, sơn quang, vạch đường, v.v…

Hình 2.1: Hình ảnh về sơn b Các thành phần cấu tạo của sơn và chức năng của chúng

 Nhựa (40% - 60%) : Alkyd, Acrylic, Epoxy, Polyurethane, Fluorocarbon

 Tạo liên kết các thành phần của sơn

 Tạo độ kế dính cho sơn

 Tạo độ bền cho màn sơn

 Bột màu (7% - 40%): bột màu gốc, bột màu bổ sung, bột chống gỉ

 Tạo độ bền và độ cứng của màng sơn

Phụ gia trong sơn (0% - 5%) là các chất giúp tăng cường độ bền, bao gồm độ bền màu sắc, khả năng chịu thời tiết, độ bóng cứng, độ phủ và thời gian bảo quản Ngoài ra, phụ gia còn mang lại một số tính chất đặc biệt khác cho sản phẩm sơn.

 Chất làm khô tạo sức căng bề mặt

 Dung môi (10% - 30%) : Hòa tan nhựa và bột màu c Phân loại sơn

 Phân loại theo ứng dụng và bề mặt vật liệu:

 Phân loại theo chất màng:

2.1.2 Quy trình công nghệ sản xuất sơn

Quy trình sản xuất sơn tiêu biểu bao gồm nhiều công đoạn quan trọng, như được thể hiện trong sơ đồ.

Hình 2.3: Dây chuyền sản xuất sơn Cty Cổ phần sơn Hải Phòng

Để chuẩn bị nguyên liệu cho quy trình sản xuất, cần có bột tạo màu, nhựa, dung môi hòa tan và các chất phụ gia đã được nghiền và lọc Sau đó, tiến hành pha trộn các nguyên liệu theo tỉ lệ hợp lý, khuấy đều để đảm bảo đồng nhất Tiếp theo, pha loãng hỗn hợp và chiết rót vào bao bì Cuối cùng, dán nhãn sản phẩm để hoàn thiện quy trình.

 Đóng thùng  Vận chuyển  Tiêu thụ

Ngoài ra, các quá trình phụ trợ như vệ sinh thùng chứa sơn và làm mát để ngăn ngừa sự bay hơi của dung môi cũng rất quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm.

2.1.3 Giới thiệu về một số dây chuyền, nhà máy sản xuất sơn, máy pha màu và lắc sơn hiện nay a Một số nhà máy và dây chuyền sản xuất sơn

Hình 2.4: Dây chuyền sản xuất sơn ICI Dulux, KCN Mỹ Phước 2, Bình Dương

Hình 2.6: Nhà máy sơn Caparol,

Hình 2.7: Máy pha màu và lắc hãng SOLITE PAINT

Hình 2.8: Máy pha màu và lắc hãng MY KOLOR b Các máy pha màu và lắc sơn phổ biến trên thị trường Việt Nam hiện nay

Hình 2.9: Máy pha màu và lắc hãng BOSS

Hình 2.10: Máy pha màu và lắc hãng IPAINT

2.1.4 Khái niệm về màu sắc và quy luật pha màu sơn a Màu sắc là gì?

Khi ánh sáng trắng đi qua lăng kính, nó tách ra thành 7 sắc màu: đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm và tím, thể hiện sự khác biệt về bước sóng của ánh sáng Màu sắc mà chúng ta quan sát từ các vật thể thực chất là sự phản chiếu ánh sáng từ vật đó vào mắt, khẳng định rằng màu sắc chính là ánh sáng trong lĩnh vực quang học.

Hình 2.11: Thang màu từ đỏ tới tím của 7 sắc cầu vồng

Hình 2.12: Thang màu vô sắc b Ba yếu tố cơ bản của màu sắc

 Sắc (Ton): Độ đậm hoặc nhạt của một màu nào đó khi pha trắng hoặc đen

Quang độ, hay độ sáng và tối của màu sắc, thể hiện sự liên kết giữa các mức độ đậm nhạt Trong vòng thuần sắc, màu vàng đạt đỉnh quang độ sáng nhất, trong khi màu tím là màu có đỉnh quang độ tối nhất do sự tương phản mạnh mẽ.

 Cường độ (Intensity): Là mức độ mạnh hay yếu của một màu nào đó (thị giác cảm nhận được độ tươi thắm) do sự kích thích thị giác

Ví dụ: Vàng - Quang độ sáng Cam - Cường độ mạnh

Hình 2.13: Màu càng pha trắng thì quang độ càng sáng nhưng cường độ càng yếu c Các quy luật pha màu sơn

Có 2 quy luật pha màu là: Cộng màu và trừ màu

Ba màu sơ cấp (hay cơ bản) trong ánh sáng là đỏ (Red - R), lục (Green - G) và lam (Blue - B)

 Ánh sáng đỏ hòa với ánh sáng lục cho ánh sáng vàng (Yellow - Y)

 Ánh sáng lục hòa với ánh sáng lam cho ánh sáng màu da trời (Cyan - C)

 Ánh sáng lam hòa với đỏ cho ánh sáng tím hồng (Magenta - M)

Tím hồng là màu khá gần với màu tím (Violet) Tím hồng (Magenta) là màu không có trong phổ ánh sáng tự nhiên

Màu tím hồng (M), vàng (Y) và da trời (C) là các màu thứ cấp của ánh sáng, được hình thành từ sự hòa trộn của hai chùm ánh sáng màu sơ cấp Khi kết hợp cả ba chùm ánh sáng sơ cấp đỏ (R), xanh lá (G) và xanh dương (B), ta sẽ thu được ánh sáng trắng, minh chứng cho quy luật cộng màu.

Hình 2.14: Quy luật cộng màu trong hệ màu RGB

Trong màu hóa chất như mực in, phẩm nhuộm, sơn thì ngược lại: Ba màu sơ cấp là tím hồng (Magenta - M), da trời (Cyan - C), và vàng (Yellow - Y)

 Tím hồng (M) hòa da trời (C) cho lam (Blue - B)

 C hòa với Y cho lục (Green - G)

 Y hòa với M cho đỏ (Red - R)

Trong màu hóa chất, đỏ, lục và lam là ba màu thứ cấp Khi hòa trộn ba màu sơ cấp M (Magenta), C (Cyan) và Y (Yellow), nguyên tắc cho ra màu đen Tuy nhiên, do các màu hóa chất không hoàn toàn tinh khiết, cần phải có màu đen riêng Vì vậy, trong in ấn, chỉ cần sử dụng bốn màu CMYK (trong đó K đại diện cho màu đen) để tạo ra tất cả các màu sắc, ngoại trừ màu trắng, là màu của giấy.

Màu sắc của vật chất tuân theo quy luật trừ màu, vì bản thân vật chất không có màu sắc mà chỉ hấp thụ và tán xạ các bước sóng ánh sáng Ví dụ, một vật có màu đỏ hấp thụ ánh sáng lục và lam, chỉ phản chiếu ánh sáng đỏ Ngược lại, vật có màu đen hấp thụ toàn bộ ánh sáng chiếu vào, trong khi vật có màu trắng phản chiếu tất cả các bước sóng ánh sáng.

Hình 2.15: Quy luật trừ màu trong hệ màu CYMK

2.1.5 Chọn quy luật pha màu áp dụng cho đề tài

Các hạt màu trong sơn không phải là các màu sơ cấp lý tưởng, do đó bảng pha màu chỉ mang tính định hướng Các hãng sản xuất sơn là những đơn vị nghiên cứu và hiểu rõ cách pha trộn màu sắc để tạo ra màu mới, dựa vào kinh nghiệm của chuyên gia và phát triển công thức pha màu riêng.

Trong nghiên cứu này, chúng tôi áp dụng nguyên tắc pha màu theo quy tắc trừ màu, sử dụng ba màu sơ cấp: đỏ (Red – R), vàng (Yellow – Y) và lam (Blue – B) Từ những màu cơ bản này, chúng tôi có thể tạo ra các màu khác, ngoại trừ đen và trắng, vì đây là những màu không thể pha trộn từ các màu khác.

Như vậy 3 màu thứ cấp là:

 Đỏ + Vàng -> Da cam (Orange)

Trộn màu sơ cấp với màu thứ cấp cạnh nó thì được màu tam cấp (Tertiary)

Hình 2.16: Nguyên tắc pha trừ màu với 3 màu sơ cấp RYB

PLC

2.2.1 Khái niệm PLC, ưu điểm và ứng dụng

PLC, viết tắt của Programmable Logic Controller, là bộ điều khiển logic khả trình, cho phép thực hiện các giải pháp điều khiển logic linh hoạt thông qua ngôn ngữ lập trình Nó có khả năng xử lý nhiều sự kiện theo yêu cầu của quy trình sản xuất và dễ dàng thay đổi nhiệm vụ chỉ bằng cách điều chỉnh chương trình trong bộ nhớ.

 Ưu điểm của hệ thống sử dụng PLC:

- Thích ứng với nhiều nhiệm vụ điều khiển khác nhau

- Khả năng thay đổi chương trình một cách linh hoạt

- Tiết kiệm không gian lắp đặt

- Dễ dàng kiểm tra chỉnh sửa lỗi

- Khả năng truyền thông mạnh để điều khiển giám sát từ xa

- Không cần các tiếp điểm

Hình 2.17: So sánh ưu điểm hệ PLC so với kết nối cứng dùng relay và timer

 Ứng dụng: PLC ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều nghành khác nhau như:

- Điều khiển các quy trình sản xuất: Bia, xi măng, giấy, …

- Các dây chuyền đóng gói bao bì, đóng thùng

- Thiết bị sấy, khai thác

- Hệ thống giữ xe, rửa xe tự động

2.2.2 Tổng quan về PLC Rockwell CompactLogix 1769-L32E

CompactLogix 1769–L32E là sản phẩm thuộc dòng 1769–L3x của Allen Bradley, cung cấp giải pháp Logix cho các ứng dụng từ nhỏ đến trung bình Những ứng dụng này thường yêu cầu số lượng I/O và khả năng giao tiếp hạn chế, với các module được gắn theo thứ tự từ trái sang phải, bắt đầu từ Local 1 Sản phẩm này còn tích hợp cổng giao tiếp Ethernet, mang lại hiệu suất cao cho hệ thống điều khiển.

IP, RS 232, module 1769 SDN DeviceNet dùng để giao tiếp với mạng DeviceNet, module I/O Digital, Analog

Hình 2.18: Cấu trúc một bộ CompactLogix 1769–L32E Chú thích các Module trong CompactLogix 1769-L32E:

4 1769-IQ32 Sinking/Sourcing 24V DC Input (Local 2)

5 1769-OB32 Current Sourcing 24V DC Output (Local 3)

7 1769-OF2 Analog Output (Local 5) a Sơ đồ tổ chức một chương trình của CompactLogix L32E:

Hình 2.19: Tổ chức chương trình của CompactLogix 1769-L32E

Cách quản lý Compact Logix L32E được thực hiện qua cửa sổ quản lý chương trình trong phần mềm RSLogix 5000 Mỗi Project bao gồm 6 Task, với mỗi Task chứa 32 chương trình Trong mỗi Project có các Controller tags chung, đồng thời mỗi chương trình cũng sở hữu các tags riêng, tạo ra mối quan hệ chặt chẽ giữa chúng.

Hình 2.20: Mối quan hệ giữa các Tags trong một Project b Các chế độ và tín hiệu đèn trên PLC CompactLogic 1769-L32E

Hình 2.21: Vị trí các đèn báo và khóa chọn chế độ

Bảng 2.1: Tín hiệu đèn trên PLC CompactLogic 1769-L32E

Vị trí của khóa Chức năng

 Tải project hiện tại trên PLC về máy tính Chương trình đang chạy và cho phép các ngõ ra của PLC hoạt động

 Không thể tạo mới hay xóa các Tag, Bit, hay một chương trình

 Không thể chuyển về các chế độ Run, Program, Test trong chương trình

Prog  Các ngõ ra của PLC không hoạt động

 Tải chương trình lên PLC hay tải chương trình từ PLC về máy tính

 Có thể tạo, xóa, sửa đổi các Tag, Bit, hay một đoạn chương trình

 Không thể chuyển về các chế độ Run, Program, Test trong chương trình

Rem  Tải chương trình lên PLC hay tải chương trình từ PLC về máy tính

 Có thể chuyển về các chế độ Run, Program, Test trong chương trình RSLogix 5000 Đèn chỉ báo Trạng thái đèn Mô tả

RUN Tắt  PLC đang ở chế độ

Program hay Test Sáng mà xanh  PLC đang ở chế độ

Tắt  Không có Tag nào bị ép buộc hoạt động

Sáng màu vàng  I/O force đang kích hoạt

Nhấp nháy màu vàng  Một hay nhiều Bit ở ngõ vào, ra đang bị ép buộc hoạt động

BAT Tắt  Đang hoạt động tốt

Sáng màu đỏ Không có Pin

 Pin còn khoảng 5% và cần được thay thế

 Không có thiết bị phần cứng nào được định cấu hình trong I/O

 PLC không có chương trình

Sáng màu xanh  PLC đang giao tiếp với các thiết bị phần cứng được định cấu hình trong I/O

Nhấp nháy màu xanh  Một hay nhiều thiết bị trong I/O không đáp ứng với PLC

Nhấp nháy màu đỏ  PLC không giao tiếp với bất kỳ thiết bị nào

Nhấp nháy màu đỏ  Nếu lần là lần đầu sử dụng PLC thì PLC cần Update Firmware

 Nếu không phải lần đầu thì PLC bị lỗi, để xóa lỗi thì: chuyển khóa từ Prog->Run->Prog và chọn Go Online trong chương trình RSLogix 5000

Để xóa lỗi từ bộ nhớ của bộ điều khiển màu đỏ, cần thực hiện các bước sau: tắt và mở lại nguồn điện, nạp chương trình vào PLC, và chuyển khóa về chế độ Run.

Sáng màu xanh  PLC đang hoạt động tốt

Nhấp nháy màu xanh  PLC đang lưu trữ hay tải một chương trình từ bộ nhớ

2.2.3 Giới thiệu các loại modul mở rộng a Modul mở rộng vào ra số Để điều khiển được các thiết bị động lực cơ cấu chấp hành hoặc nhận tín hiệu số từ các thiết bị ngoại vi thì 1 phần không thể thiều đó chính là các modul vào/ ra số, đóng vai trò như các giác quan và bộ phận giúp cho CPU tiếp nhận thông tin từ bên ngoài và thực thi nhiệm vụ Tùy thuộc vào CPU, số lượng thiết bị ngoại vi mà ta chọn modul Digital cho phù hợp Ở đây ta sẽ khảo sát về modul 1769-IQ32 và modul 1769-OB32

Hình 2.23: Modul 1769-OB32 b Modul mở rộng vào ra tương tự

Trong quá trình điều khiển, việc thu thập dữ liệu chính xác là yếu tố quan trọng nhất để tối ưu hóa hiệu suất Modul Analog vượt trội hơn modul Digital vì nó không chỉ nhận biết tín hiệu có/không mà còn giúp CPU nhận diện các đại lượng vật lý như khối lượng, nhiệt độ và khoảng cách Điều này được thực hiện thông qua việc chuyển đổi các đại lượng điện áp hoặc dòng điện thành tín hiệu số để CPU xử lý Tùy thuộc vào ứng dụng và loại cảm biến, việc lựa chọn modul phù hợp là cần thiết, trong đó có modul Analog input 1769-IF4 và modul Analog output 1769-OF2.

Hình 2.24: Modul 1769-IF4 Hình 2.25: Modul 1769-OF2

Động cơ bước và mạch điều khiển

2.3.1 Khái niệm và ứng dụng của động cơ bước Động cơ bước là một thiết bị cơ điện chuyển đổi các xung điện thành những chuyển động cơ học rời rạc Trục của động cơ bước quay những bước tăng rời rạc khi các xung điện điều khiển được áp đến nó theo một trình tự hợp lí

Sự quay của động cơ phụ thuộc vào các xung điện áp được áp vào, với trình tự các xung này ảnh hưởng đến hướng quay của trục Tốc độ quay của trục động cơ tỉ lệ thuận với tần số các xung, trong khi chiều dài vòng quay liên quan trực tiếp đến số lượng xung được áp dụng.

Động cơ bước, lần đầu tiên được ứng dụng vào năm 1935, đã trải qua nhiều cải tiến so với các mô hình trước đây có hiệu suất kém Hiện nay, động cơ bước được sử dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị như máy tính, robot, máy ghi biểu đồ, máy vẽ x-y, máy bơm, đồng hồ, bàn vẽ, van, máy công cụ, thiết bị y khoa, thiết bị ôtô, máy bán hàng tự động và máy quét.

2.3.2 Cấu tạo, phân loại động cơ bước

Động cơ bước có thể được phân loại dựa trên cấu trúc và cách quấn các cuộn dây trên stator, như thể hiện trong hình 2.27, mô tả các bộ phận cấu tạo nên động cơ bước.

Dựa theo cấu trúc rotor, động cơ bước được chia thành 3 loại:

- Động cơ bước từ trở biến thiên

- Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

Dựa theo cách quấn dây trên stator, động cơ bước được chia thành 2 loại:

- Động cơ bước đơn cực

- Động cơ bước lưỡng cực

Các loại này được chia thành hai phương pháp cấu tạo: phương pháp đầu tiên với rotor và stator có răng bình thường để giữ cuộn dây, và phương pháp thứ hai với mặt răng của rotor và stator có nhiều răng nhỏ hơn Ưu điểm của các răng nhỏ là tạo ra các góc bước nhỏ hơn, giúp cải thiện hiệu suất.

2.3.3 Nguyên lý điều khiển và mạch điều khiển động cơ bước

Mạch điều khiển động cơ bước có hai nhiệm vụ chính:

- Thay đổi dòng điện và hướng từ thông trong các cuộn dây pha

- Điều khiển cường độ dòng điện chạy qua các cuộn dây nhằm đạt được tốc độ cao nhất có thể

Mạch điện này tập trung vào việc điều khiển chuyển mạch đóng và ngắt dòng điện cho các cuộn dây động cơ Nó được kết nối trực tiếp với các cuộn dây và nguồn cung cấp, đồng thời được điều khiển bởi một hệ thống số như mạch số, vi xử lý, vi điều khiển, máy tính hoặc PLC, để xác định thời điểm đóng hoặc mở các chuyển mạch.

Động cơ DC

Hình 2.28: Hình ảnh một số loại động cơ DC

2.4.1 Tầm quan trọng của động cơ DC

Trong đời sống con người, động cơ DC được sử dụng rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực như:

- Các bộ phận khởi động của ôtô, xe máy, máy kéo,…

- Các hệ truyền động có công suất nhỏ như quạt điện, máy xay sinh tố, động cơ bơm nước…

- Lĩnh vực nghiên cứu, giảng dạy…

Động cơ DC đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp, được sử dụng rộng rãi trong các máy cắt kim loại, máy công cụ, giao thông vận tải, thiết bị cầu trục, máy ép, máy bơm, máy nghiền và máy cán.

2.4.2 Ưu nhược điểm của động cơ DC

- Dễ điều chỉnh tốc độ trong khoảng rộng mà vẫn giữ được mô men

- Có dòng mở máy và momen mở máy nhỏ, có khả năng quá tải lớn

- Hệ điều khiển đơn giản, …

 Nhược điểm của động cơ DC:

- Cần mạch chỉnh lưu để cung cấp điện một chiều

- Phải thường xuyên bảo trì, thay thế chổi than

- Trọng lượng nặng, giá thành cao

- Phát sinh tia lửa điện gây cháy nổ, …

Mặc dù động cơ DC có nhiều nhược điểm, nhưng nó vẫn đóng vai trò quan trọng trong sản xuất và phát triển công nghiệp, đồng thời được sử dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày.

2.4.3 Cấu tạo của động cơ DC Động cơ DC gồm các thành phần sau:

+ Hệ thống vành trượt, chổi than

Hình 2.29: Các thành phần của động cơ DC a Cấu tạo stator:

Stator là phần đứng yên của máy, gồm các phần chính sau:

+ Các bộ phận khác b Cấu tạo Rotor:

Rotor là phần quay của động cơ, bao gồm:

2.4.4 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều

Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều dựa trên định luật lực điện từ Khi thanh dẫn mang dòng điện được đặt vuông góc với đường sức từ trường, nó sẽ chịu tác động của một lực điện từ có giá trị nhất định.

B là từ cảm (T) i là dòng điện (A) l là chiều dài hiệu dụng thanh dẫn (m)

Fdt là lực điện từ (N), có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái

Hình 2.30: Mô phỏng nguyên lý hoạt động của động cơ DC

- Khi cung cấp điện cho động cơ, điện áp U của nguồn điện sẽ gây ra dòng điện

Khi thanh dẫn chịu tác động của từ trường, lực điện từ Fdt = B.i.l sẽ tác động lên thanh, khiến nó chuyển động với tốc độ v theo hướng như hình 2.30.

2.4.5 Phân loại động cơ điện một chiều

Dựa vào phương pháp kích từ, người ta chia động cơ điện một chiều thành các loại sau:

+ Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Dòng điện kích từ của máy lấy từ nguồn điện khác không liên hệ với phần ứng của máy (Hình 2.31a)

+ Động cơ điện một chiều kích từ song song: Dây quấn kích từ nối song song với mạch phần ứng (Hình 2.31b)

+ Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Dây quấn kích từ mắc nối tiếp với mạch phần ứng ( Hình 2.31c)

Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp bao gồm hai loại dây quấn kích từ: dây quấn song song và dây quấn nối tiếp Trong đó, dây quấn kích từ song song thường đóng vai trò chủ yếu trong hoạt động của động cơ.

Hình 2.31: Phân loại động cơ điện một chiều theo kích từ

Động cơ kích từ độc lập và song song có đặc tính cơ giống nhau, nhưng động cơ kích từ độc lập thường được sử dụng cho công suất lớn Điều này là do phần kích từ riêng biệt của động cơ kích từ độc lập giúp giảm tổn hao công suất và dễ dàng điều chỉnh dòng kích từ, từ đó cho phép thay đổi tốc độ động cơ một cách linh hoạt.

Băng tải

Băng tải là thiết bị công nghiệp chuyên dụng, được thiết kế để di chuyển vật nặng hoặc khối lượng lớn nguyên vật liệu từ vị trí này sang vị trí khác trong một khoảng cách nhất định.

Hình 2.32: Hình ảnh một số loại băng tải

2.5.2 Tầm quan trọng và ứng dụng của băng tải trong sản xuất và đời sống

Băng tải đóng vai trò quan trọng trong sản xuất, đặc biệt trong ngành công nghiệp nặng và nhẹ, giúp giảm tải nhiều khâu trong quy trình vận chuyển nguyên liệu Thiết bị này được sử dụng để chuyên chở vật liệu xây dựng ở nhiều độ cao và địa hình khác nhau, từ đó tối ưu hóa sức lao động và nâng cao năng suất lao động của công nhân Nhờ vào sự hiện diện của băng tải, tỉ lệ sản phẩm được sản xuất tăng lên, mang lại lợi nhuận lớn cho các doanh nghiệp.

Hình 2.33: Ứng dụng của băng tải trong dây chuyền sản xuất mì gói

2.5.3 Cấu tạo của băng tải

Băng tải gồm các cơ cấu như sau:

+ Khung băng tải + Rulô chủ động + Rulô bị động + Cơ cấu dẫn hướng + Con lăn đỡ dây + Cơ cấu tăng đơ + Dây băng tải + Động cơ giảm tốc

2.5.4 Nguyên lý hoạt động của băng tải

Rulô chủ động quay tạo ra chuyển động cho dây băng tải nhờ lực ma sát giữa rulô và dây băng Khi dây băng tải gầu bị trùng, rulô bị động được điều chỉnh để căng dây băng, tạo lực ma sát cần thiết cho chuyển động tịnh tiến của băng tải Khi vật liệu rơi xuống bề mặt dây băng tải, chúng sẽ được di chuyển theo chuyển động của băng tải Để ngăn băng tải bị võng, các con lăn được đặt dưới bề mặt băng tải, giúp giảm lực ma sát trên đường đi Băng tải cao su được làm từ chất liệu cao su chất lượng cao, bên trong là Polyester và Poliamit, mang lại độ bền cao, khả năng chịu nước và thời tiết ẩm Dây băng tải cần có độ bền, chắc chắn và khả năng chịu mài mòn cũng như ma sát cao.

Hệ số giãn dây băng tải cần phải thấp để tối ưu hóa khả năng vận chuyển, cho phép chuyển nhiều vật liệu ở khoảng cách vừa và xa với tốc độ cao.

2.5.5 Các loại băng tải trong dây chuyền sản xuất và đặc điểm

 Băng tải cao su: Chịu nhiệt, sức tải lớn

 Băng tải xích: Khá tốt trong ứng dụng tải dạng chai, sản phẩm cần độ vững chắc

Băng tải con lăn bao gồm nhiều loại như băng tải con lăn nhựa, băng tải con lăn nhựa PVC, băng tải con lăn thép mạ kẽm và băng tải con lăn truyền động bằng motor, mỗi loại đều có những ứng dụng và ưu điểm riêng, phục vụ hiệu quả cho quá trình vận chuyển hàng hóa.

 Băng tải đứng: Vận chuyển hàng hóa theo phương hướng lên thẳng đứng

 Băng tải PVC : Tải nhẹ và thông dụng với kinh tế

 Băng tải linh hoạt: Di chuyển được

 Băng tải góc cong: Chuyển hướng sản phẩm 30 đến 180 độ

Mỗi loại băng tải có hình dạng, chức năng và ứng dụng riêng, vì vậy việc lựa chọn băng tải phù hợp với mục đích sử dụng là rất quan trọng Để băng tải phát huy tối đa hiệu quả trong việc vận chuyển hàng hóa, cần chọn loại băng tải có chức năng thích hợp Điều này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao năng suất công việc.

Xylanh khí

Xylanh là phần tử quan trọng nhất trong hệ thống chuyển động thẳng Van điều khiển xylanh biến năng lượng tích lũy được thành chuyển động tịnh tiến

Về cơ bản có thể chia xylanh thành 2 loại:

+ Xylanh tác động đơn (Single acting cylinder) + Xylanh tác động kép (Double acting cylinder)

 Xylanh tác động đơn: được sử dụng trong các hệ thống yêu cầu lực nhỏ và khoảng dịch chuyển ngắn

Hình 2.34: Hình ảnh và sơ đồ mô phỏng cấu tạo xylanh tác động đơn

Xy-lanh tác động kép là một loại xy-lanh mà trong đó lò xo hồi được thay thế bằng cửa vào của khí nén, mang lại hiệu suất làm việc cao hơn so với xy-lanh tác động đơn.

Hình 2.35: Hình ảnh và sơ đồ mô phỏng cấu tạo xylanh tác động kép

Ngoài ra, trong lĩnh vực cơ khí, còn có nhiều loại xylanh đa dạng như xylanh tác động kép với vòng đệm, xylanh nối đôi, xylanh có cần piston hai phía, xylanh moment, xylanh xung động, xylanh nhiều vị trí và xylanh không có cần piston Những loại xylanh này đều có ứng dụng riêng biệt và mang lại hiệu quả cao trong các hệ thống tự động hóa.

Van điện từ

Van điện từ là thiết bị điều khiển hoạt động bằng điện, sử dụng lực điện từ để vận hành Trong các hệ thống phức tạp, nhiều van điện từ có thể được kết hợp để tăng cường hiệu suất hoạt động.

Hình 2.36: Hình ảnh van điện từ khí nén và chất lỏng

Van điện từ là thiết bị quan trọng, thường được ứng dụng trong các hệ thống khí nén và chất lỏng Chức năng chính của chúng là điều khiển việc đóng, mở, phân chia và trộn lẫn khí nén từ máy nén khí hoặc dầu thủy lực từ bơm thủy.

 Ưu điểm: Van điện từ có cơ chế đóng mở nhanh, hoạt động ổn định, độ bền cao, tốn ít năng lượng và có cấu tạo đơn giản

 Nhược điểm: Thường có kết cấu đường ống dạng cong nên giới hạn dòng chảy hay tốc độ bơm

 Phân loại: Van điện từ được phân loại theo:

+ Chất lưu: Khí nén, nước, hơi nước, gas,…

+ Điện áp cuộn solenoid: 24VDC, 110/220VAC,…

+ Thường đóng (NC) hay thường mở (NO)

 Cấu tạo van điện từ:

Hình 2.37: Các thành phần cấu tạo của van điện từ

Cảm biến

Các hệ thống điều khiển tự động trong công nghiệp cần đo nhiều đại lượng vật lý như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng và trọng lượng, nhưng những đại lượng này không có tính chất điện Để các bộ điều khiển và cơ cấu chỉ thị hoạt động hiệu quả với tín hiệu điện, cần thiết phải có thiết bị chuyển đổi các đại lượng vật lý này thành tín hiệu điện tương ứng Thiết bị chuyển đổi quan trọng này được gọi là "cảm biến".

Cảm biến là thiết bị chuyển đổi các đại lượng vật lý thành tín hiệu điện, giúp xác định các đại lượng cần đo Mối quan hệ giữa đại lượng cần đo (m) và đại lượng điện (s) được biểu diễn qua hàm số s = f(m).

Hàm s = f(m) có thể là hàm tuyến tính, hàm logarit, hàm mũ hay hàm công suất

 Các đại lượng vật lý: vị trí, vận tốc, gia tốc, lực, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, ánh sáng,…

 Các đại lượng điện: điện trở, điện dung, điện cảm, điện áp, dòng điện,…

2.8.2 Phân loại cảm biến và ứng dụng

 Theo nguyên lý chế tạo: các cảm biến được phân làm hai loại:

Cảm biến tích cực là loại cảm biến hoạt động như máy phát, cung cấp ngõ ra dưới dạng điện tích, điện áp hoặc dòng điện Để hoạt động hiệu quả, cảm biến tích cực cần được cung cấp năng lượng từ bên ngoài thông qua tín hiệu kích thích.

Cảm biến thụ động là loại cảm biến hoạt động như một trở kháng, với ngõ ra là điện trở, độ tự cảm hoặc điện dung Đặc điểm nổi bật của cảm biến thụ động là không cần cung cấp năng lượng trong quá trình hoạt động.

 Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích : Hiện tượng vật lý, hóa học, sinh học,…

 Theo dạng kích thích: Âm thanh, điện, từ, quang, cơ, nhiệt, bức xạ,…

 Theo tính năng của cảm biến: Độ nhạy, độ chính xác, độ phân giải, độ tuyến tính, dải tần số, độ ổn định, tuổi thọ,…

 Theo phạm vi sử dụng: Công nghiệp, nông nghiệp, nghiên cứu khoa học, dân dụng, giao thông, vũ trụ,…

Theo thông số của mô hình mạch thay thế, cảm biến tích cực có đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng, trong khi cảm biến thụ động được đặc trưng bởi các thông số như R, L, C Các cảm biến này có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến.

Có nhiều loại cảm biến được sử dụng tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, bao gồm cảm biến quang, cảm biến nhiệt độ, cảm biến tiệm cận, cảm biến áp suất, cảm biến lưu lượng, cảm biến vị trí, cảm biến dịch chuyển, cảm biến vận tốc và cảm biến gia tốc.

Relay

2.9.1 Khái niệm chung về relay

Rơle là thiết bị điện tự động, có khả năng thay đổi tín hiệu đầu ra khi tín hiệu đầu vào đạt các giá trị xác định Nó được sử dụng để đóng cắt mạch điện điều khiển, đồng thời bảo vệ và điều chỉnh hoạt động của mạch điện động lực.

Hình 2.38: Hình ảnh một số loại Relay

Cấu tạo chung của Relay bao gồm 3 cơ cấu cơ bản sau:

Cơ cấu tiếp thu đóng vai trò quan trọng trong việc nhận diện các tín hiệu đầu vào và chuyển đổi chúng thành đại lượng cần thiết Nhiệm vụ chính của nó là cung cấp tín hiệu phù hợp cho khối trung gian, đảm bảo quá trình xử lý thông tin diễn ra hiệu quả.

Cơ cấu trung gian có vai trò quan trọng trong việc tiếp nhận tín hiệu từ khối tiếp thu và biến đổi chúng thành đại lượng cần thiết để rơle có thể tác động hiệu quả.

+ Cơ cấu chấp hành: Làm nhiệm vụ phát tín hiệu cho mạch điều khiển

Có nhiều loại relay với nguyên lí và chức năng làm việc rất khác nhau

 Phân loại theo nguyên lí làm việc gồm các nhóm:

+ Rơle điện cơ (rơle điện từ, rơle từ điện, rơle điện từ phân cực, rơle cảm ứng, ) + Rơle nhiệt

+ Rơle điện tử-bán dẫn, vi mạch

 Phân theo nguyên lí tác động của cơ cấu chấp hành:

Rơle có hai loại chính: rơle có tiếp điểm và rơle không tiếp điểm Rơle có tiếp điểm hoạt động bằng cách đóng mở các tiếp điểm để điều khiển mạch, trong khi rơle không tiếp điểm, hay còn gọi là rơle tĩnh, tác động thông qua việc thay đổi đột ngột các tham số của cơ cấu chấp hành trong mạch điều khiển, như điện cảm, điện dung và điện trở.

 Phân loại theo đặc tính tham sốvào:

 Phân loại theo cách mắc cơ cấu:

+ Rơle sơ cấp: loại này được mắc trực tiếp vào mạch điện cần bảo vệ

+ Rơle thứcấp: loại này mắc vào mạch thông qua biến áp đo lường hay biến dòng điện

 Phân theo giá trị và chiều các đại lượng đi vào rơle:

+ Rơle cực đại-cực tiểu

+ Cơ cấu tác động chuyển trạng thái tiếp điểm

Loadcell

Loadcell là thiết bị cảm biến chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín hiệu điện Thiết bị này thường được sử dụng để cảm ứng các lực lớn, tĩnh hoặc các lực biến thiên chậm Tùy thuộc vào thiết kế, một số loadcell còn có khả năng đo lực tác động mạnh.

Hình 2.39: Hình ảnh về loadcell

Loadcell bao gồm hai thành phần chính: strain gage và load Strain gage là một điện trở nhỏ, có kích thước tương đương với móng tay, có khả năng thay đổi điện trở khi chịu nén hoặc kéo dãn Nó được cấp nguồn điện ổn định và được gắn cố định lên "Load" - một thanh kim loại đàn hồi chịu tải.

2.10.3 Nguyên lý hoạt động của loadcell

Hoạt động của thiết bị dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone, trong đó giá trị lực tác dụng tỷ lệ với sự thay đổi điện trở cảm ứng trong cầu điện trở, dẫn đến việc tạo ra tín hiệu điện áp tương ứng.

Hình 2.40: Nguyên lý hoạt động của loadcell

Điện áp kích thích được cung cấp cho ngõ vào của loadcell tại hai góc (1) và (4) của cầu điện trở Wheatstone, trong khi điện áp tín hiệu ra được đo giữa hai góc còn lại.

Tại trạng thái cân bằng, tức là khi không có tải, điện áp tín hiệu ra sẽ gần như bằng không nếu bốn điện trở được kết nối với giá trị phù hợp.

Có thể phân loại loadcell như sau:

 Phân loại loadcell theo lực tác động: chịu kéo (Shear Loadcell), chịu nén

(Compression Loadcell), dạng uốn (Bending), chịu xoắn (Tension Loadcell)

 Phân loại theo hình dạng: dạng đĩa, dạng thanh, dạng trụ, dạng cầu, dạng chữ S,

 Phân loại theo kích thước và khả năng chịu tải: loại bé, vừa, lớn.

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống

 Khối nguồn: là trái tim của hệ thống, cung cấp nguồn cho các phần tử trong hệ thống hoạt động

Khối PLC là trung tâm điều khiển, đóng vai trò như bộ não của hệ thống Nó nhận các tín hiệu từ bên ngoài, bao gồm nút nhấn, tín hiệu đầu cân và cảm biến Sau đó, khối PLC sẽ xử lý các tín hiệu này để điều khiển ngõ ra theo yêu cầu.

 Nút nhấn: gồm nút Start, nút Stop và nút Reset khi có sự cố

 Cảm biến quang: Phát hiện khi có lon hay không có lon

 Khối xử lý khối lượng: nhận tín hiệu từ cảm biến khối lượng (cân loadcell), truyền tín hiệu qua khối PLC

 Khối cảm biến khối lượng: nhận biết khối lượng sơn đã rót

 Đèn báo: đèn báo nguồn, trạng thái hoạt động của hệ thống

 Khối van xylanh khí: điều chỉnh chiều khí nén cấp cho xylanh

 Khối cơ cấu băng tải: dùng để truyền động cho băng tải

 Khối điều khiển xung cho động cơ bước: chuyển chuỗi xung liên tục từ PLC để điều khiển động cơ bước

 Động cơ bước: lắc đúng số vòng yêu cầu và quay về đúng vị trị ban đầu.

Thiết kế phần cứng hệ thống

Hệ thống bồn sơn sử dụng 4 màu cơ bản là Đỏ, Vàng, Xanh và Trắng, yêu cầu thiết kế cần có 4 bồn chứa màu sơn tương ứng Mỗi bồn chứa có thể tích khoảng 4 lít, đảm bảo khả năng pha trộn màu sắc hiệu quả.

Hinh 3.2: Thiết kế bồn sơn trong đề tài

 Cơ cấu cấp lon: Lon không được cấp tự động mà chỉ được cấp bằng tay khi hết lon

 Bộ phận cân: Loadcell nằm dưới miếng gỗ để cân trọng lượng của lon

 Băng tải: Vận chuyển lon qua từng công đoạn để pha màu, đóng nắp và lắc sơn

Hình 3.3: Thiết kế cơ cấu cấp lon trong đề tài

Hình 3.4: Thiết kế bộ phận cân trong đề tài

Hình 3.5: Thiết kế băng tải trong đề tài

 Cơ cấu cấp và đóng nắp: Sơn sau khi được rót sẽ chuyển đến đóng nắp

 Cơ cấu lắc sơn: Sau khi được đóng nắp xong sẽ chuyển đến cơ cấu lắc sơn

 Thiết kế tủ điều khiển: Gồm có nút Start, Stop, Reset Các đèn nguồn, Start, Stop, Auto, Manual

Hình 3.6: Thiết kế cơ cấu cấp và đóng nắp trong đề tài

Hình 3.7: Thiết kế cơ cấu lắc sơn trong đề tài

Hình 3.8: Thiết kế tủ điều khiển trong đề tài

 Thiết kế mô hình hoàn chỉnh

Tính toán giá trị analog

Trong giới hạn tải trọng cho phép của loadcell, mối quan hệ giữa khối lượng và điện áp đầu ra được coi là tuyến tính Do đó, giá trị Analog đọc được cũng có tính chất tuyến tính tương ứng với khối lượng đặt lên loadcell.

Hình 3.9: Mô hình được thiết kế hoàn chỉnh trong đề tài

Hình 3.10: Quan hệ giữa khối lượng và giá trị analog đọc về

Dựa vào phương trình đường thẳng, mỗi giá trị đọc được cho phép suy ra khối lượng tính theo kg thông qua công thức: m = 𝑀 𝑦−𝑦1.

Lựa chọn thiết bị cho hệ thống

 Mục đích: Điều khiển đóng mở bằng điện để sơn rót xuống lon

 Yêu cầu: Tác động nhanh, là van thường đóng, giá thành thấp

 Giải pháp: Sử dụng 4 van điện từ UD – 08 220VAC

 Mục đích: Chuyển đổi lực tác dụng lên loadcell thành tín hiệu điện

 Yêu cầu: Độ chính xác cao, độ ổn định tốt, sai số ít

 Giải pháp: Dùng cân điện tử loadcell 3kg

Hình 3.11: Van nước điện từ 220VAC sử dụng trong

 Mục đích: Khuếch đại tín hiệu điện ở ngõ ra loadcell

 Yêu cầu: Mạch nhỏ gọn, đáp ứng chính xác

 Giải pháp: Mạch khuếch đại loadcell

Hình 3.12: Cân cảm biến loadcell sử dụng trong đề tài

Hình 3.13: Mạch khuếch đại cân loadcell

 Sơ đồ nguyên lí mạch khuếch đại loadcell

Tầng 1: khuếch đại không đảo với hệ số khuếch đại

Tầng 2: khuếch đại vi sai với hệ số khuếch đại

Hệ số khuếch đại toàn mạch:

Av = Av1 Av2 = 500(lần) Điện áp ngõ ra:

Với : Sig(+) − Sig(-) = [0mV; 20mV]

 Mục đích: Sử dụng cơ cấu quay để kéo băng tải

 Yêu cầu: Động cơ DC 24V, có hộp số cho tốc độ động cơ vừa phải

Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lí mạch khuếch đại loadcell

 Giải pháp: Động cơ 24VDC

 Mục đích : Điều khiển số vòng cho cơ cấu lắc sơn

 Yêu cầu : Dừng lon sơn đúng vị trí ban đầu trước khi lắc

 Giải pháp: Động cơ VEXTA Model PK566NAW

Thông số kỹ thuật:5 dây, 5 phase, 0.72 o/ STEP, DC 1.43V, 1.4A

PLC Rockwell không có modul phát xung, vì vậy cần chọn thời gian tần số xung để đảm bảo động cơ bước quay ổn định và không bị lắc Thực tế cho thấy tần số xung 10ms là phù hợp Động cơ bước Vexta PK566NAW có tốc độ 500 xung để hoàn thành 1 vòng, với tần số 10ms cho mỗi xung Do đó, tốc độ của động cơ được tính là 500 xung x 10ms = 5 giây cho 1 vòng.

Hình 3.16: Stepper Motor VEXTA Model PK566NAW sử dụng trong đề tài

Hình 3.15: Động cơ 24VDC sử dụng trong đề tài

 Driver điều khiển động cơ bước

 Mục đích: Chuyển chuỗi xung liên tục từ PLC thành các thứ tự xung điều khiển động cơ bước

 Yêu cầu: Điện áp vào 24V, dành cho động cơ bước 5 pha, kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp, dễ cấu hình và sử dụng

Dạng sóng xung ngõ vào và ra của driver động cơ bước

Hình 3.17: Driver động cơ bước EXD5014N sử dụng trong đề tài

Hình 3.18 : Dạng sóng ngõ ra của PLC

 Mục đích: Chuyển động tịnh tiến tác động vào lon và nắp theo quy trình hoạt động của hệ thống để cho ra sản phẩm

 Yêu cầu: Cấu tạo đơn giản, giá thành thấp, loại tác động kép

 Giải pháp: Chọn xylanh cũ tác động kép hãng SMC, Japan

 Mục đích: Điều khiển chiều khí nén cấp cho xylanh hoạt động theo yêu cầu

 Yêu cầu: Kích thước nhỏ gọn, hoạt động ổn định, giá thành thấp, điện áp cuộn hút 24VDC

Hình 3.20: Xylanh tác động kép SMC sử dụng trong đề tài

Hình 3.19 : Dạng sóng ngõ ra mạch driver EXD5014N

 Giải pháp: Chọn van điện từ 5/2 dạng module hãng SMC, Japan Cuộn hút 24V

 Mục đích: Phát hiện vị trí dừng của lon tại các khâu

 Yêu cầu: Nhỏ gọn, giá thành thấp, hoạt động ổn định

 Giải pháp: Cảm biến quang OMRON Type E3F DS30C4

Thông số kỹ thuật: Ngõ ra NPN, tiếp điểm NO 300mA 3 dây: Brown (0 – 30VDC),

Hình 3.22: Cảm biến quang sử dụng trong đề tài Hình 3.21: Module van điện từ sử dụng trong đề tài

 Mục đích: Đóng ngắt, bảo vệ tủ điều khiển và hoạt động của hệ thống

 Yêu cầu: dòng định mức 10A, điện áp nguồn (max) 220VAC

 Giải pháp: Chọn cầu giao tự động Panasonic HB 6A – 40A (chống quá tải)

CB Panasonic HB đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật với khả năng chịu quá tải lên đến 15A và định mức 240VAC Thiết bị tự động ngắt khi xảy ra quá áp hoặc dòng điện tăng, đảm bảo an toàn cho hệ thống điện.

Mục đích của việc sử dụng tiếp điểm trung gian là chuyển đổi tín hiệu từ tiếp điểm PLC sang động cơ DC, đèn báo, van điện từ và xylanh, giúp bảo vệ và tránh hư hỏng cho tiếp điểm của PLC.

 Yêu cầu: Kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp, điện áp cuộn hút 24VDC

 Giải pháp: Lựa chọn relay dạng module hãng OMRON mã LY2N

Hình 3.23: Cầu dao tự động Panasonic HB sử dụng trong đề tài

 Mục đích: Chỉnh lưu điện áp AC 220V thành DC 24V để cung cấp cho cảm biến, động cơ DC, cuộn hút Relay, xylanh và driver của động cơ bước

 Yêu cầu: Điện áp ổn định, giá thành thấp

 Giải pháp: Chọn loại nguồn dạng tổ ong vỏ kim loại

Nguồn này có công suất: P = 24 x 5 = 120W

Các thiết bị sử dụng dòng: 13 relay mỗi relay là 20mA, 5 đèn mỗi đèn 200mA, 2 mạch điện tử mỗi mạch dùng 10mA

Tổng dòng sử dụng: I = (13 x 20) + (5 x 200) + (2 x 10) = 1280mA = 1,28A

Vì vậy, nguồn tổ ong này đáp ứng được

Hình 3.25: Hình ảnh bộ nguồn DC loại tổ ong sử dụng trong đề tài

Hình 3.24: Module Relay OMRON sử dụng trong đề tài

 Nguồn cho mạch khuếch đại

 Mục đích: Cung cấp nguồn cho mạch khuếch đại hoạt động ổn định

 Yêu cầu: Điện áp ổn định, giá thành thấp

 Giải pháp: Chọn loại biến áp 15VAC

 Mục đích: Tác động để thay đổi trạng thái tín hiệu, biểu thị trạng thái hoạt động của hệ thống

 Yêu cầu: Tác động dễ, hoạt động ổn định, giá thành thấp

- Nút nhấn hãng Camsco mã PB XAN 11, 1NO, 1NC

- Đèn báo mã NP116-22DS 220VAC

Hình 3.26: Biến áp 15VAC sử dụng trong đề tài

Hình 3.27: Nút nhấn, đèn báo sử dụng trong đề tài

THI CÔNG HỆ THỐNG

Giới thiệu

Sau khi hoàn tất phác thảo mô hình và tính toán thiết kế để xác định các linh kiện cần thiết, bước tiếp theo là thi công mô hình thực tế Trong quá trình này, chúng tôi sẽ lắp ráp các linh kiện lên tủ điều khiển và tiến hành kết nối các thiết bị với nhau để đảm bảo hoạt động hiệu quả.

Thi công hệ thống

4.2.1 Thi công tủ điều khiển a Tủ điều khiển

Trên mặt tủ điều khiển sẽ có 1 nút START, 1 nút STOP, 1 nút RESET và 5 đèn báo: POWER, START, STOP, AUTO, MANUAL

Bên trong tủ thì có các Relay để đóng ngắt cho các van, đèn, xylanh, đóng ngắt cho động cơ DC và mạch khuếch đại, driver động cơ bước

Hình 4.1: Mặt trước tủ điều khiển

Hình 4.2: Bên trong tủ điều khiển b Sơ đồ đi dây tủ điều khiển

Hình 4.3: Sơ đồ đi dây hệ thống

4.2.2 Thi công mô hình cơ khí

Hình 4.4: Phối cảnh mô hình

Hình 4.5: Mô hình sau khi hoàn thành

Lập trình hệ thống

4.3.1 Lưu đồ giải thuật a Lưu đồ tổng quan

RESET TẤT CẢ NGÕ RA BẰNG 0, ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC VỀ VỊ TRÍ BAN ĐẦU

Hình 4.6: Lưu đồ tổng quan

- Cấp nguồn cho hệ thống, thực hiện Run PLC

- Nhấn nút START, cho phép thực hiện chương trình trong PLC

- Nếu chọn chế độ AUTO, thực hiện chương trình con Auto

-Nếu chọn chế độ MAN, thực hiện chương trình con Man b Lưu đồ chế độ mặc định

Vận hành hệ thống ở chế độ mặc định

Hình 4.7: Lưu đồ chế độ mặc định

- Chế độ mặc định sẽ được điều khiển hoạt động từ FactoryTalk View

- Tiến hành chọn màu cần pha được cài đặt mặc định sẵn

- Tiến hành chọn số lượng sản phẩm

- Sau khi chọn xong, nhấn nút START, hệ thống sẽ thực hiện chương trình trong PLC ở chế độ Auto c Lưu đồ chế độ tùy chỉnh

Vận hành hệ thống ở chế độ tùy chỉnh

Hình 4.8: Lưu đồ chế độ tùy chỉnh

- Chế độ tùy chỉnh cũng sẽ được vận hành từ FactoryTalk View

- Tiến hành chọn tỉ lệ màu sơn cần pha bằng cách nhập tỉ lệ màu trên màn hình

- Sau khi chọn xong tỉ lệ màu, nhấn nút START để cho hệ thống hoạt động d Lưu đồ thực hiện chi tiết chương trình

Xylanh 1 đẩy lon ra bàn cân rồi về

Rót sơn theo tỉ lệ

Xylanh 2 đẩy lon chứa sơn ra băng chuyền rồi về

Cơ cấu lắc hoạt động Lắc 5 vòng

Xylanh 3 xuống giữ lon Xylanh 4 đẩy ra cấp nắp rồi về

Xylanh 3 hành trình về Xylanh 5 đóng nắp rồi về

Sensor 2 phát hiện Băng tải hoạt động

Xylanh 7 đẩy ra Xylanh 8 đẩy lon sơn ra rồi về

Băng tải chạy đưa sản phẩm đến cuối hành trình

Xylanh đẩy lon vào hộp lắc rồi về Xylanh 7 thu lại (mặc định đẩy ra)

Hình 4.9: Lưu đồ chi tiết thực hiện chương trình

4.3.2 Phần mềm lập trình cho hệ thống

RSLogix5000 là phần mềm lập trình chuyên dụng cho PLC của Rockwell, chủ yếu cho dòng Compactlogix và Controllogix Phần mềm này mạnh mẽ và tích hợp ba ngôn ngữ lập trình: lập trình hình thang (ladder), lập trình hình khối (Block) và lập trình bằng mã nguồn (Source Code).

Chúng ta sẽ sử dụng các phương pháp lập trình phổ biến như bậc thang (ladder), văn bản có cấu trúc (structured text), sơ đồ khối chức năng (function block diagram) và trình bày chức năng theo thứ tự để phát triển các chương trình ứng dụng.

Hình 4.11: Cách tổ chức một chương trình của phần mềm RSLogic 5000.

Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát hệ thống

4.4.1 Giới thiệu tổng quan phần mềm FactoryTalk View

FactoryTalk View Studio là phần mềm giao tiếp với người máy, thuộc bộ giải pháp giám sát và điều khiển tích hợp, cho phép mở rộng từ ứng dụng cấp độ máy đơn lẻ đến các ứng dụng giám sát qua mạng.

FactoryTalk View Studio là phần mềm SCADA của hãng Rockwell Automation có nhiều tính năng vượt trội như:

 FactoryTalk View Studio (Network) : Có khả năng tạo mạng liên kết giúp cho việc giao tiếp giữa các phần SCADA riêng lẻ khác nhau trở nên dễ dàng hơn

 FactoryTalk View Studio (Local) : Giúp thiết kế giao diện SCADA cho một máy đơn với nhiều tính năng mới như Local Messenger, Alarm and Event Server

 FactoryTalk View Machine: Giúp cho việc thiết kế giao diện HMI trở nên đẹp hơn với nhiều tính năng hơn qua việc sử dụng màn hình Panel View Plus

Hình 4.12:Giao diện SCADA của FactoryTalk View Studio

4.4.2 Các chức năng cơ bản của FactoryTalk View

FactoryTalk SE có các chưc năng cơ bản được liệt kê như sơ đồ sau:

Hình 4.13: Giao diện làm việc FactoryTalk View

 Command line: Sử dụng dòng lệnh để chạy các lệnh trong quá trình phát triển ứng dụng, thử nghiệm và bảo trì

 HMI Tags: Khai báo, định nghĩa loại tag, security cho tag, địa chỉ Data Source

Là nơi thiết kế màn hình đồ họa hiển thị hoạt động của đối tượng trong thời gian thực

Hiển thị dữ liệu, điều khiển hoạt động, viết dữ liệu xuống các thiết bị điều khiển như PLC

Lưu giá trị dữ liệu của tag, in màn hình Graphic displays ở thời gian thực

Global Object Displays là một thư viện lưu trữ các đồ họa tiêu chuẩn do người dùng tạo ra, giúp thuận tiện cho quá trình thiết kế đồ họa trong tương lai.

 Symbol Factory: Thư viện Symbol bổ sung giao diện đồ họa cho việc thiết kế giao diện giám sát

FactoryTalk View SE cung cấp một bộ thư viện chứa các đối tượng đồ họa hiển thị, giúp người dùng dễ dàng truy cập Nhiều đối tượng trong thư viện đã được cấu hình sẵn với các thuộc tính động, cho phép người dùng sử dụng ngay hoặc tùy chỉnh theo nhu cầu ứng dụng của mình.

 Images: Chức năng Images được sử dụng thông qua công cụ Image tool Người dùng có add thêm image vào thư viện Image để sử dụng

Recipes cung cấp giá trị tag cho tất cả các đối tượng đầu vào, bao gồm số và chuỗi trong một graphic Để xác định đối tượng nào nhận được giá trị, Recipes sử dụng thông số index được gán cho từng đối tượng.

 Local Messages: Local Messages cung cấp cho người điều hành thông tin về quá trình, về những gì sẽ làm tiếp theo khi ứng dụng đang chạy

Derived Tags là các thẻ nhận giá trị từ kết quả của một biểu thức, bao gồm tên thẻ, phương trình, các biểu thức toán học logic, hàm chức năng đặc biệt và cấu trúc logic If-Then-Else.

 Data log: Data log dùng để thu thập và lưu giá trị tag để sử dụng sau này

Dữ liệu được lưu trữ trong một file nội hoặc ODBC Người dùng có thể sử dụng các phần mềm quản lý, truy xuất, báo cáo như Micorosoft Excell

Hình 4.14: Giao diện FactoryTalk View

4.5 TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC

- Bật CB, cấp nguồn cho hệ thống Đèn POWER sáng, đèn STOP sáng

- Nhấn START, ở chế độ mặc định thì đèn AUTO sẽ sáng, ở chế độ tùy chỉnh thì đèn MAN sẽ sáng

Nhấn nút STOP để dừng chương trình và RESET để khôi phục cài đặt ban đầu Trên bảng điều khiển, sử dụng nút Auto để chọn màu mặc định, nút Man để chọn màu tùy chỉnh, nút database để truy cập dữ liệu các màu có sẵn, và nút setting để điều chỉnh số lượng màu và ID màu.

Tài liệu hướng dẫn sử dụng và thao tác

- Đăng nhập giao diện FactoryTalk View

- Chọn màu sơn cần pha

- Chọn số lượng sản phẩm

- Hệ thống sẽ hoạt động theo yêu cầu

4.5.2 Vận hành chế độ tùy chỉnh

- Đăng nhập giao diện FactoryTalk View

- Chọn tỉ lệ màu sơn cần pha

- Chọn số lượng sản phẩm

- Hệ thống sẽ hoạt động theo yêu cầu.

KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ

Nhận biết và vận chuyển lon sơn

Khi băng tải vận chuyển lon sơn từ vị trí rót đến vị trí đóng nắp, cảm biến quang đầu tiên phát hiện và dừng băng tải tại vị trí đó Tương tự, cảm biến thứ hai cũng dừng băng tải khi đưa lon vào lắc Tuy nhiên, độ chính xác của vị trí lon có sai số khoảng 3 - 5% Mặc dù vậy, mô hình nhận biết và vận chuyển lon vẫn hoạt động tương đối ổn định.

Cách khắc phục cho trường hợp này là:

- Thay đổi vị trí cảm biến

- Mua cảm biến tốt hơn để được đáp ứng tốt.

Cân khối lượng sơn

Khối lượng sơn lý thuyết rót xuống mỗi lon là 500g, nhưng thực tế lại cao hơn một chút do sai số cân khoảng 2 – 3% Mặc dù sự chênh lệch này không đáng kể, hệ thống vẫn đảm bảo độ ổn định trong việc cân khối lượng.

Cách khắc phục cho trường hợp này là:

- Sử dụng cân loadcell gần với khối lượng cân hơn

- Sử dụng van điện từ tốt, ống dẫn sơn vừa đủ.

Đóng nắp sơn

Khi cảm biến thứ nhất phát hiện thì xylanh 3 hạ xuống giữ cố định lon sơn để xylanh

Sau khi thực hiện 4 lần cắp nắp, xylanh 5 sẽ đóng nắp 3 lần Mặc dù không đạt yêu cầu về tính thẩm mỹ, chất lượng vẫn được đảm bảo Tổng quan, quá trình đóng nắp hoạt động khá hiệu quả.

Cách khắc phục để đóng nắp được thẩm mỹ hơn là:

- Mua lon mới có nắp dễ đóng hơn

- Mài nắp bớt đi để độ ăn khớp ổn định hơn.

Lắc sơn

Khi cảm biến thứ hai phát hiện, băng tải dừng lại và xylanh 6 sẽ đẩy lon vào hộp để lắc Động cơ bước hoạt động với tỉ lệ 0.72 o/STEP, tương đương 500 xung cho 1 vòng Sau khi lắc 3 vòng, động cơ bước sẽ quay trở lại vị trí ban đầu để đẩy lon sơn ra băng tải Tuy nhiên, trong quá trình quay về, động cơ bước có thể bị lệch một hoặc hai bước so với vị trí ban đầu, nhưng sai số này rất nhỏ và có thể chấp nhận được Do đó, quá trình lắc sơn vẫn được duy trì ổn định Để khắc phục tình trạng lệch, cần dựa vào thực tế và ước tính giá trị cho động cơ bước.

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Sau 14 tuần tìm hiểu, nghiên cứu và tham khảo tài liệu với ý chí nổ lực và cố gắng của nhóm Cùng với sự quan tâm giúp đỡ của ban lãnh đạo nhà trường và thầy cô khoa Điện – điện tử về điều kiện thực hành và thử nghiệm mô hình, đặc biệt là sự hướng dẫn và chỉ bảo nhiệt tình của thầy Nguyễn Tấn Đời về những định hướng của đề tài, cùng với sự đóng góp ý kiến của bạn bè Nay nhóm đã hoàn thành công việc được giao đúng thời gian quy định, hoàn thành mục tiêu của đề tài đã đặt ra

Mô hình cơ khí hoạt động ổn định với hai chế độ Auto và Manual từ Factory Talk View Mặc dù màu pha của sản phẩm chỉ mang tính chất tương đối do dựa vào thị giác, nhưng độ chính xác của cân loadcell với sai số chấp nhận được ở mức 8g vẫn đảm bảo hiệu quả trong quá trình vận hành.

Nhóm đã rút ra được những kiến thức và kinh nghiệm quý báu sau khi hoàn thành đề tài, bao gồm việc hiểu rõ lý thuyết cơ bản về thành phần cấu tạo và phân loại các loại sơn phổ biến hiện nay Ngoài ra, nhóm cũng tích lũy được kinh nghiệm trong thiết kế và thi công tủ điện, cũng như tính toán và lựa chọn các thiết bị phù hợp cho dây chuyền sản xuất Hơn nữa, nhóm đã nắm vững đặc điểm và cách thực hiện chương trình điều khiển bằng PLC cùng với các tập lệnh lập trình.

- Mở rộng dây chuyền để có thể pha được các loại sơn có dung tích lớn hơn

- Phát triển thêm khâu dán nhãn hoặc khắc nhãn, mã vạch, ngày sản xuất bằng laser

- Phát triển thêm khâu đóng thùng các sản phẩm

- Phát triển thêm khâu cấp lon và nắp tự động

- Kết hợp biến tần điều khiển tốc độ băng tải, dừng chính xác

- Sử dụng màn hình HMI cho chế độ Manual

- Cân chính xác khối lượng

[1] Võ Minh Hiễn, “Thiết Kế và Thi Công Hệ Thống Cân Đóng Bao”, Đồ Án Tốt Nghiệp ĐH, Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM, 2013

Đỗ Anh Tuấn, Phạm Ngọc Minh, Nguyễn Thành Long và Huỳnh Đức Hoàn đã trình bày các giải pháp tự động hóa dựa trên nền tảng PAC CompactLogix trong bài viết của họ trên Tạp chí Tự động hóa ngày nay.

[3] Trần Thế San, Nguyễn Ngọc Phương, “Hướng Dẫn Thiết Kế Mạch & Lập Trình PLC”, NXB Đà Nẵng, 2005

[4] Lê Hoài Quốc, Chung Tấn Lâm “PLC Trong Điều Khiển Các Quá Trình Công Nghiệp

Bộ Điều Khiển Khả Lập Trình PLC”, Nhà xuất bản ĐH Quốc Gia TPHCM, 2006

[5] Nguyễn Thị Ngọc Loan, Phùng Thị Nguyệt, Phạm Quang Hiển “Truyền Động Điện Trang Thiết Bị Với Modul Điều Khiển Lập Trình”, Nhà xuất bản Giao Thông Vận Tải,

[6] Lê Hoài Quốc, Chung Tấn Lâm “Bộ Điều Khiển Lập Trình Vận Hành Và Ứng Dụng” Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật, 2007

[7] Tài Liệu Thực Hành Điều Khiển Lập Trình, Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM,

[1] https://jap.vn/2012/10/02/huong-dan-su-dung-rslogix-5000/

[3] http://ab.rockwellautomation.com/Programmable-Controllers/ControlLogix-Standard-Controllers#/tab5